首页 -> 2007年第8期
ＵＧ软件在《机械设计基础》课程设计中的作用
作者：冯 伟
关键词：机械设计基础；课程设计；UG软件
《机械设计基础》课程是机械类专业一门重要的技术基础课程。课程设计是培养学生机械综合设计能力、创新能力和工程意识的重要环节，是启迪学生的创新思维、开拓学生创新潜能的重要手段，将为以后的专业课程设计和毕业设计奠定基础，在教学计划中具有承上启下的重要作用。我院《机械设计基础》课程设计选用的题目是传动装置中的减速器设计，在以前的课程设计中发现，由于学生空间想象能力不足，往往照葫芦画瓢，导致学生对自己设计的减速器结构似懂非懂，影响了设计质量。笔者结合自己对UG（Unigraphics）软件技术的掌握，对教学中如何提高学生空间思维能力的问题进行了探索。
人们的认识过程建立在实践活动中，从具体到抽象，从感性认识上升到理性认识，在此过程中，如果缺乏与之有关的感性认识作为基础，理解起来很难。《机械设计基础》课程是理论性和实践性都很强的课程，内容比较抽象，减速器结构设计离不开空间想象，离不开对空间形体的分析和表达。根据心理学的观点，空间想象能力是形象思维与抽象思维两种思维活动的分析、综合、加工处理，从而产生新形象的一种综合性能力，主要来源于对空间形体的感性认识。课程设计能培养学生对空间形体的想象能力、分析能力和表达能力。这三种能力彼此关联，相互促进。在教学中从学生的身心发展规律和学生实际出发培养学生空间想象能力的途径有很多，利用UG软件进行多媒体教学是非常有效的方法之一。
UG系统起源于美国麦道飞机公司。多年来，UG系统汇集了美国航空航天与汽车工业的专业经验，发展成为世界一流的综合性的设计、分析和制造一体化的集成系统。可以实现从产品的概念设计、结构设计、虚拟现实到静力学及动力学强度分析，最后由CAM模块实现计算机辅助加工制造，贯穿了产品的开发和制造全过程。UG技术提供的草图功能、曲线曲面建模、基于特征的实体建模、虚拟装配建模、机构运动仿真、分析等技术手段，给机构设计提供了极大的方便。相关技术手段的结合应用不仅能快速构建出相关的机构的抽象模型，也能把这种模型快速地映射于机构的装配模型，还能对机构进行快速的运动分析仿真、运动干涉检查及动力学分析等。
在课程设计之前，为了增强学生的感性认识，最好进行轴系结构测绘和减速器结构装拆实验，因为这两个实验有利于学生进一步掌握机械结构设计知识、了解结构设计的原则，建立轴系组成的基本概念。在课程设计开始时，学生往往不知从何下手，教师首先应该介绍一下设计总体过程。采用课件比较方便，然而也有很大的局限性，因为制作好的软件不宜改动，教学内容的个性与教学过程的适宜性受到了限制，在课堂上不利于发挥教师的主观能动性，不利于最大限度地融入和体现教师的设计思想、教学特色和个人风格。笔者采用UG软件对零件直接进行三维建模和用UG建造好的虚拟模型进行教学，在课堂的动态教学中能够随机应变、按需造型以及修改模型，提高课堂教学质量。采用UG软件建造的虚拟模型比以前采用实物模型来增强学生感性认识要好，因为实物模型由于体积和重量原因会造成携带、拆卸和解剖不便，且操作较为费时。而UG软件创建的三维模型精度高、质感好、形象逼真、色彩丰富，利用UG的局部放大、平移和翻转等工具，能够在屏幕上观察零件复杂形体的外形与内腔、相贯体中相贯线的变化等各个侧面和局部细节特征；可以直观地显现整个零件的结构，装配体中零件之间的连接关系，使教学中的知识难点更加清晰、生动、形象；也可以根据不断变化的教学内容和不同的教学对象的需求，利用UG软件方便地进行教学模型的修改与新建，满足教学中对模型种类及数量的需要，并能显著降低教学成本。
在介绍设计过程时，如果采用机械制图方法将零件的三维实体利用投影法原理将其转化到二维平面图上，再通过二维视图想象出三维形状讲解减速器结构设计，则学生理解这些传统的二维平面图知识需要有丰富的空间想象力。即使用一些轴测图，也只能看到实体的部分表面，不能解决教学中向学生讲解清楚空间几何体的形体问题。并且学生的认识始终停留在二维图纸上，不能很好地了解结构设计对整机性能的影响以及单个零件与整机之间的关联关系，不清楚自己设计的结构是否合理。笔者在教学中采用UG软件教学，使学生看到零件的设计过程，让学生看到教师在绘图过程中的细节，并且使用UG对减速器各个零件进行装配，使学生比较容易理解。如图（轴上零件周向、径向定位）所示，在讲解对减速器轴上各个零件进行装配时，介绍装配基准，演示如何进行传动件的周向和轴向固定；轴的支承、固定；轴承类型如何选择，应考虑哪些因素，轴承如何装配，间隙如何调整等问题；各零件之间的相互位置关系、零件的布置方案、装拆顺序；图样上的尺寸和公差标注及零件的结构工艺性应注意的问题等等。这样，不仅能在较短时间内给学生提供正确的示范，培养学生的几何构思能力，同时介绍了有关结构工艺知识，培养学生合理的设计思维，有利于学生理解减速器的工作原理、装配关系、各零件的相对位置关系以及各零件的结构特点。这种视觉效果的刺激能增强学生的分析、认识和记忆能力，开拓学生的知识面，活跃课堂气氛，提高学生的学习兴趣，也能充分发挥计算机与教师的双重作用。
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轴上零件周向、径向定位图
三维设计是工业发展的趋势，我院机械类专业学生获得UG或PRO/E三维设计技能证书是学生的毕业条件之一，这样的要求有利于提高学生实际工程设计能力，创新意识和就业的竞争能力。因为在课程设计之前，一些学生已经学习了UG或PRO/E软件，在课程设计中应鼓励学生采用三维设计。将三维设计融入课程设计，学生可以利用UG强大的参数化功能和装配功能，完成各零件的设计和装配。由于学生缺乏实际经验，往往要对某些结构不够合理的地方进行多次修改，采用UG软件只需修改零件的某个参数的数值即可完成整体修改。而采用二维设计，结构变动较大时则不得不重新设计并花费很多时间进行绘图。而采用三维设计，整个设计过程符合学生的认知规律，能使学生更加深入地理解设计的内涵，增强学生的设计想象力，启迪学生的思维，引导学生实现探究性学习。三维设计能够使学生直观地看到自己的设计成果，增强学生的成就感。而且学生在完成三维设计后，利用UG的制图转换功能，可将使用实体建模功能创建的零件或装配模型引用到工程图模块中，快速转换为二维的工程图，再进行尺寸标注、注释等等，最终完成课程设计所要求的图纸，从而提高学生的专业制图识图能力，加深学生对三维设计与二维工程图之间关系的理解。
实践表明，用UG软件讲授减速器的结构设计，可以激发学生的观察力、想象力及逻辑联想能力，能够达到“教人以渔，则终身受用无穷”的效果。不过，虽然现代教学技术开阔了学生的视野，提高了学习的趣味性与教学效率，然而教学却具有生成性，对课堂上出现的新问题，教师的板书和分析必不可少。因此，在教学实践中应当将传统教学和现代教学技术有机结合，不断地研究新的教学方法，与时俱进，注意使各种教学手段相互穿插、补充，这样才能提高学生的学习兴趣，增强他们学习的主动性，实现教学效果的最优化。
参考文献：
[1]胡仁喜，徐东升，阳平华.Unigraphics NX3.O零件设计实务[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2]陈立德，等.机械设计基础课程设计指导书[M].北京：高等教育出版社，2000.
作者简介：
冯伟（1968—），男，常州机电职业技术学院副教授，主要从事机械方面的研究和教学工作。
（本栏责任编辑：王丽）